Теория Большого Взрыва

Выше описанный сценарий Большого Взрыва пришел на смену модели «бесконечной и вечной» Вселенной. Последняя модель признавалась как учеными, так и богословами, которые утверждали, что Мир сотворен и у него будет конец. Двадцатый век, разрушив очень многое из того, что было создано в предшествующие века, позволил приоткрыть завесу тайны о том, как возникла Вселенная.

Началось все с опубликования статьи в 1922 г. петроградского ученого геофизика и математика А.А. Фридмана, в которой он на основе анализа уравнений Общей Теории Относительности (ОТО) пришел к выводу, что образовавшись в какой-то момент времени вселенная стала «разбухать», извергаясь из точки расширяясь во все стороны. На эту гипотезу смотрели как на фантастику. Ведь речь идет о «начале Мира». Получается так, что до этого события не было ни пространства, ни времени, ни законов их описывающих. Этому более всего обрадовались богословы, так как, по их мнению это доказывает факт сотворения Мира.

Позднее к 1929 г. данные «фантастические» представления были доказаны Эдвином Хабблом, обнаружившего разлет галактик по доплеровскому эффекту смещения излучения в красную область у более удаленных звезд. Оказалось, что свет от более далеких галактик «краснее» света от более близких. Причем скорость разбегания оказалась пропорциональна расстоянию от Земли (закон расширения Хаббла). Но такой разлет вещества обязан иметь начало. Значит, все галактики должны родиться в точке. Кстати, разбегаются не звезды и даже не отдельные галактики, а скопления галактик. Ближайшие от нас звезды и галактики связаны друг с другом гравитационными силами и образуют устойчивые структуры. Причем, в каком направлении ни посмотри, скопления галактик разбегаются от Земли с одинаковой скоростью, и может показаться, что мы являемся центром Вселенной, однако это не так. Где бы ни находился наблюдатель, он будет везде видеть все ту же картину – все галактики разбегаются от него. Кстати это согласуется с «Совершенным Космологическим Принципом», которого придерживались древние мыслители. В соответствие с ним наблюдатель, в какой либо точке видит ту же картину, что и другой наблюдатель где-либо, и не только сейчас, но и в любой другой момент в прошлом или будущем.

В 1948 г. Джордж Гамов предсказал наличие рассеянного по всему пространству остаточного теплового излучения от первоначального взрыва. В момент взрыва температура была очень большой, и должно появиться очень много квантов света. Конечно, со временем все должно остывать, но остаточное тепловое поле должно было существовать и позднее в 1964 г. оно было обнаружено американскими радиоастрономами Р.Вильсоном и А.Пензиасом. Реликтовое электромагнитное излучение с температурой 3^о по шкале Кельвина (-270^оС). Именно это открытие, неожиданное для ученых, убедило их в том, что Большой взрыв действительно имел место. Современные интерпретации истории Вселенной показаны на рис. а,б.

Любопытно, что размеры Вселенной астрономы оценивают как 10²⁸ см, в то время как начался инфляционный процесс с флуктуации 10^-33 см. Величина протона, то есть атомного ядра атома водорода, - 10^-13 см. Таким образом, получается, что Вселенная вначале была во столько раз меньше протона, во сколько протон меньше Луны. Кстати, Луна по отношению к современной Вселенной имеет примерно тот же размер, что и начальная флуктуация в сравнении с ядром атома водорода.

Рис. . Один из вариантов отображения истории Вселенной.

Рис. . Второй вариант истории Вселенной в соответствии моделью «Большого взрыва».

(Заимствовано из статьи С. Рубина «Мир, рожденный из ничего», журнал Вокруг Света, 2004, 56-65)

Современный нам момент эволюции Вселенной крайне удачно приспособлен для жизни, и длится он будет еще много миллиардов лет. Звезды будут рождаться и умирать, галактики вращаться и сталкиваться, а скопления галактик – улетать все дальше друг от друга. Поэтому времени для самосовершенствования у человечества предостаточно.

Однако тот факт, что наша Вселенная состоит на 96% из темной материи и темной энергии, и мы не знаем что это такое, все это свидетельство меры нашего незнания. В настоящее время под скрытой массой, или темной материей, понимаются любые неизвестные частицы и/или неизлучающие тела. Понять состав скрытой массы – одна из первоочередных задач науки. Кстати, термин «темная материя» не слишком-то хорош, так как материя эта – прозрачна для электромагнитного излучения (света). Если бы она действительно была темной, то мы вообще не имели возможности видеть звезды. Еще более ошеломляющим было открытие в конце ХХ века темной энергии. Что это такое – непонятно до сих пор.

Что же ждет нашу Вселенную в дальнейшем в соответствии с моделью Большого Взрыва? Еще несколько лет назад у теоретиков в этой связи имелись всего две возможности. Если плотность энергии во Вселенной мала, то она будет вечно расширяться и постепенно остывать. Если же плотность энергии больше некоторого критического значения, то стадия расширения сменится стадией сжатия. Сегодня вариантов ответа на вопрос о будущем нашей Вселенной стало значительно больше. И они существенно зависят от того, какая теория, объясняющая скрытую энергию, является правильной (рис. ).

Рис. . Современные сценарии развития нашей Вселенной. (Заимствовано из статьи С.Рубина «Мир, рожденный из ничего», журнал Вокруг Света, 2004, 56-65)

Так родилась одна из величайших теорий ХХ века, ставшая парадигмой. Расширение Вселенной, открытие темной материи, обуславливающей гравитационную устойчивость и эволюцию звездных систем – величайшее открытие космологии.

Гипотеза нулевой Вселенной (Кэри)

Важно отметить, что теория «Большого взрыва» – катастрофическая теория и не единственная из существующих. Например, известна эволюционная теория австралийца У. Кэри, согласно которой рождение материи и вселенной не одноактный процесс, а постоянный. По его мнению, это происходит в тех местах, где поле тяготения Ньютона, обращенное от каждой массы наружу уравновешиваются хаббловским полем, распространенным от всей Вселенной внутрь ее (рис. ). К примеру, такие места находятся в космическом пространстве на равном удалении от окружающих его галактик. Предполагается, что вакуум, находящийся в условиях нуля «Ньютона-Хаббла», неустойчив и из него рождается материя в результате квантовых флуктуаций. Возникают элементарные частицы, из которых появляются атомы химических элементов, в дальнейшем газово-пылевые туманности, звезды и галактики.

Рис. Схема распределения сил и положение «нуля» Ньютона-Хаббла во Вселенной по У. Кэри.

У. Кэри также как и другие исследователи, сторонники «нулевой» Вселенной, т. е. масса и потенциальная энергия друг другу противоположны и взаимно уничтожаются. Начиная от нулевой пустоты, масса и энергия добавляются равными порциями, и их сумма остается равной в любой момент времени. К представлениям о «нулевой» Вселенной пришли и сторонники «Большого взрыва» (С. Рубин, 2004). По их мнению, сегодня наша Вселенная состоит из большого числа звезд, не говоря уж о скрытой массе. И может показаться, что полная энергия и масса Вселенной огромны. И совершенно непонятно, как это все могло поместиться в первоначальном объеме 10^-99 см³. Однако во Вселенной существует не только материя, но и гравитационное поле. Известно, что энергия последнего отрицательна и, как оказалась, в нашей Вселенной энергия гравитации в точности компенсирует энергию, заключенную в частицах, планетах и прочих массивных объектах. Таким образом, закон сохранения энергии прекрасно выполняется, и суммарная энергия и масса нашей Вселенной практически равны нулю.

Последние рассуждения отрицают наличие большого взрыва. Потому, что если мы мысленно повернем развитие Вселенной в обратную сторону, то мы придем к точке, где ничего не было и взорваться не могло. И мы можем рассматривать рождение Вселенной не как взрыв, а как постоянный процесс ее расширения. Еще Ф. Холл, классик астрофизики ХХ века, утверждал, что расширение Вселенной происходит вечно. Вещество рождается в пустоте самопроизвольно с такой скоростью, что средняя плотность Вселенной остается постоянной.

Место рождения вещества по У. Кэри это сингулярная точка – «нуль» Ньютона-Хаббла, где ускорение, обусловленное тяготением, равно нулю, но потенциальная энергия частицы для падения к центру какой-либо галактики максимальна. Значит, из этой области начисто выметается любая материя и там поддерживается самый полный вакуум во Вселенной. Материя рождается постоянно в результате случайных квантовых флуктуаций. Так как в этом «нуле» нет никаких сил, вновь создаваемая материя должна накапливаться в виде разреженного газа, из которого зарождаются звезды – семена будущих галактик, которым суждено расти до тех пор, пока присущее им пространство не достигнет их собственного «нуля» Ньютона-Хаббла. Поэтому галактики имеют статистически одинаковые размеры. При этом У.Кэри идет дальше и считает, что любой центр масс – будь то планета, звезда или галактика – имеет минимум потенциальной энергии, где флуктуации вакуума встречают нулевой энергетический барьер. Он также предполагает, что в центре малых планет рождается (преобладает) железо, а при увеличении массы и давления в центре появляются все более легкие элементы, вплоть до стадии Юпитера, когда водород уже доминирует и планета начинает излучать свет. Из этого следует, что все звезды, планеты и их спутники находятся на стадии увеличения массы и объема, но и Солнечная система на некоторой ранней стадии была похожа на современный Юпитер с его лунами, также, что современная Солнечная система – это зародыш будущей галактики. Чем крупнее космические объекты, тем с большей скоростью они расширяются.

Строение солнечной системы и сравнительная характеристика планет

Изучение Земли как небесного тела относится к области астрономии. Однако общее представление о положении Земли в мировом пространстве и отношении ее с другими космическими телами необходимо и для изучения курса в геологии, так как многие процессы, совершающиеся на поверхности и в глубоких недрах земного шара, тесным образом связаны с влиянием внешней среды, окружающей нашу планету. Например, приливы, отливы, магнитные бури и другие процессы. Познание вселенной проливает свет на проблемы происхождения Земли и ранние стадии ее развития.

Земля как космическое тело. Строение солнечной системы и сравнительная характеристика планет

Солнечная система, к которой принадлежит Земля, представляет собой сравнительно небольшой участок Вселенной, являясь частью Галактики. Наша Галактика в свою очередь – лишь одна из многих миллионов Галактик, разбросанных в пространстве, на расстоянии, в среднем превышающих их поперечники в 50 раз. По размеру и составу «звездного населения» с нашей Галактикой сходна Галактика Андромеды. Возраст нашей Галактики достигает 10 млрд. лет, возраст нашего Солнца 5 млрд. лет, возраст Солнечной системы 4,6 млрд. лет.

Солнце - является центральным телом Солнечной системы, в котором сосредоточено 99,866% всей массы системы. Вокруг него по определенным орбитам обращается 9 больших планет, кольцо астероидов между орбитами Марса и Юпитера и много мелких тел. Их масса составляет всего 0,134% вещества системы. В то же время 98% момента количества движения, т.е. произведения массы на скорость и радиус вращения сосредоточено в планетах. В настоящее время известно более 60 спутников планет, около 100 тыс. астероидов, или малых планет и около 10¹¹ комет, а также огромное количество мелких обломков – метеоритов.

Все тела солнечной системы, начиная от мельчайших частиц космической пыли и кончая большими планетами, связаны силами взаимного притяжения и в той или иной мере оказывают влияние друг на друга. Земля, как один из членов этой системы, также испытывает воздействие других небесных тел, степень которого зависит от расстояния тела от Земли, его массы и физического состояния.

Наиболее значительное влияние на Землю оказывает Солнце. Оно обладает массой в 330 тыс. раз больше Земли в 750 раз больше массы всех планет и их спутников, и своим притяжением удерживает все небесные тела системы на их орбитах. Солнце – это звезда спектрального класса G2V, довольно распространенного в галактике Млечного Пути. В пределах Солнечной системы Солнце – единственное нагретое тело, источник световой и тепловой энергии, согревающей холодные тела планет.

По современным данным, Солнце – огромный шар, состоящий из расплавленных газов. Диаметр Солнца в 109 раз больше диаметра Земли и равняется примерно 1,4 млн. км, плотность оценивается в 1,4 г/см^3, хотя в центре она может достигать 160 г/см³. Температура поверхности = 6000^оС, температура недр – 20 000 000^оС. По данным спектрального анализа химический состав солнечной атмосферы содержит 67 элементов периодической системы Менделеева, по массе 73 % - приходится на водород и 25 % на гелий, а на остальные элементы –2%. В структуре Солнца различают внутреннюю часть, или гелиевое ядро, далее располагается зона лучистого равновесия и зона конвекции, затем фотосфера, хромосфера и солнечная корона (рис. )

Рис. . Внутренняя структура Солнца (из работы Н.В.Короновскому, 2002)

Выделение энергии Солнцем, как и температура, остается практически неизменным на протяжении около 5,0 млрд. лет, т.е. с момента образования Солнца. Атомного горючего (водорода) на солнце должно хватить, по расчетам, еще на 5 млрд. лет. Когда запасы водорода истощатся, гелиевое ядро будет сжиматься, а внешние слои расширяться, и Солнце сначала превратиться «красного гиганта», а затем – в «белого карлика».

Планеты (от греч. блуждающий) отличаются от звезд своими сравнительно малыми размерами и физическим состоянием своего вещества. Все они являются холодными телами, температура поверхности которых зависит почти исключительно от тепла, получаемого от солнца; светятся они, поэтому отраженным светом, в отличие от звезд, вещество которых находится в раскаленном состоянии. Планеты вращаются вокруг солнца по орбитам, близким к круговым и, лежащим почти в одной плоскости. Почти все вращения (вокруг Солнца и вокруг собственной оси) в солнечной системе происходят в одном направлении. В солнечной системе известно 9 планет. Ближе всех к Солнцу находится Меркурий, за ним Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. На астрономическом конгрессе в августе 2006 г. (в Праге) путем голосования решили не считать Плутон планетой, а называть малым планетарным телом (основание – размеры, поведение, строение и т.д.). Расстояния планет от Солнца подчиняются определенной закономерности – каждая следующая планета отстоит от Солнца примерно вдвое дальше, чем предыдущая. Земля находится от Солнца на среднем расстоянии – 149500 тыс. км; самая отдаленная планета Плутон – на расстоянии 5915 млн. км.

Рис. 3. Относительные размеры Солнца, планет и их спутников. Показаны только семь самых крупных спутников, остальные выглядели бы на этой схеме просто точками. Показана ориентировка осей вращения планет (если она известна). Расстояние между телами - не в масштабе. (Плоскости орбит планет приблизительно перпендикулярны плоскости чертежа). (Из работы Д.Брауна, А.Массет, 1984).

По положению в Солнечной системе, по размерам и особенностям своего физического состояния планеты четко делятся на 2 группы: планеты-гиганты и планеты типа Земли. К планетам-гигантам относятся наиболее удаленные от Солнца планеты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Их размеры в десятки раз превосходят размеры планет земного типа, а плотность значительно ниже.

По современным представлениям плотность внутренней части планет-гигантов > 1. Но твердое ядро их окружено толстой оболочкой льда и замерзших газов, над которыми расположена весьма обширная облачная атмосфера из аммиака NH₄ и метана. Вследствие этого средняя плотность планет этого типа, вычисляемая по отношению веса ко всему объему, оказывается близкой к плотности воды. Ввиду удаленности от Солнца планеты-гиганты получают очень мало тепла, и температура их поверхности много ниже 0. Они окружены многочисленными спутниками: у Юпитера – 15, Сатурна > 20, Урана – 10+5. Нептуна – 2 (табл. ).

Таблица

Сравнительная характеристика планет Солнечной системы

К группе планет типа Земли относятся Венера, Марс и Меркурий. Эти планеты обладают относительно небольшими размерами, близкими к размерам Земли, сравнительно высокой плотностью и разреженными атмосферами. В отличие от планет-гигантов у этих планет спутников не больше 1-2 (1 у Земли и 2 у Марса).

Астероиды – это мелкие небесные тела движущиеся подобно планетам вокруг Солнца в пространстве между орбитами Марса и Юпитера. Самые крупные достигают несколько сотен километров в поперечнике (Церера-770 км, Веста-380 км и т.п.), самые мелкие из числа известных имеют диаметр порядка 1 км. По изменению блеска (отраженного от Солнца) некоторых астероидов, предполагают, что они представляют собой неправильные скалоподобные угловатые обломки, похожие на крупные метеориты. Это служит подтверждением гипотезы об образовании астероидов из обломков планеты, расколовшейся в результате космической катастрофы.

Кометы (от греч. – косматые, хвостатые звезды) – члены Солнечной системы периодически появляющиеся на небе в виде перемещающихся туманных объектов со светлым ядром и с одним или несколькими хвостами, направленными в сторону, противоположную солнцу. Кометы обращаются с определенной периодичностью вокруг Солнца, но вследствие очень большого эксцентриситета своих орбит, кометы при удалении от Солнца уходят далеко за пределы планетных орбит и надолго исчезают из нашего поля зрения. У комет различают 3 части: голову кометы или кому, ядро и хвост.

Рис. . Схема строения кометы (из работы Н.В. Короновского, 2002)

Кома представляет собой туманность, окружающую ядро и хвост. Кома представляет собой туманность, окружающую ядро и бывает газовой, пылевой или смешанной. Ядра комет твердые и в поперечнике достигают несколько км. При приближении кометы к солнцу холодное ядро ее разогревается. Выделяющиеся из раскалившегося ядра газы создают вокруг него оболочку – голову кометы и в дальнейшем растягиваются в виде хвоста на многие десятки миллионов км. По данным спектрального анализа хвост кометы образован разряженными газами, главным образом окисью углерода (СО) и азота, а иногда и мельчайшей космической пылью, выделяемой из ядра.

Конец ХХ века оказался богатым в наблюдении комет. В середине 80-х годов к Земле приблизилась комета Галлея. На встречу к ней были направлены космические станции. С кометой встречались аппараты «Вега-1» и «Вега-2». «Вега-1» прошла на расстоянии 8890 км от ядра (планировалось 10 тыс. км), а станция «Вега-2» на расстоянии 8030 км. Были установлены состав и структура ядра. Ядро кометы Галлея представляет собой вытянутое тело неправильной формы с размерами 14х7,5х7,5 км. Ядро вращается, совершая один оборот примерно за двое суток, точнее за 53±2 часа. Температура поверхности ядра 30-130^оС. Существует «ледяная модель» кометы. Так установлено, что в результате нагрева солнечными лучами из кометы испаряется вода. Предполагается, что это действительно льдина, покрытая тонким слоем тугоплавкого вещества и меняющего пористую структуру. Толщина пористого слоя примерно 1 см. Все это напоминает почерневший, покрытый грязной коркой «мартовский сугроб». Удалось установить, что каждую секунду с поверхности кометы испаряется примерно 40 т. Во внутренней части комы (500 км от ядра) выявлены пары СО₂. Суммарный пылевой поток из ядра составляет 5-10 т каждую секунду. Первые пылинки установлены на расстоянии 320 тыс. км от ядра. Пылинки по составу отвечают: 1) углистым хондритам (С, О, Na, Mg, Ca, Fe); 2) группа пылинок углеродистые с изотопами углерода ¹²С, ¹³С; 3) микроскопические льдинки.

В 1994 г. наблюдалось уникальное событие. Группа комет Шумейкера-Леви из 9 тел, следуя одно за другим, врезалась в Юпитер. Последствия столкновений долго наблюдались с Земли.

В весеннем небе над Землей хорошо были видны еще две кометы – Хиякутаки (1996 г) и более яркая – Хейла-Бопа (1997 г). Последняя комета имеет период обращения более 1000 лет.